水冷壁氣化爐含液相渣層熱應力分析

林偉寧（華電重工股份有限公司，北京 100070）

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水冷壁氣化爐含液相渣層熱應力分析

林偉寧（華電重工股份有限公司，北京 100070）

摘 要：建立氣流床氣化爐水冷壁的局部熱應力模型，運用有限元法對含液相渣層的水冷壁中的應力場進行了模擬計算，對降溫過程中的熱應力分布及變化進行了研究，并對渣層中的應力狀態進行分析。結果表明：工況下液態渣層中不存在熱應力，而初始固態渣層中的熱應力主要表現為壓應力；降溫過程中，熔渣凝固新生成的固態渣層中熱應力迅速增大，其中的熱應力主要表現為拉應力，且隨溫度的降低而增大。

關鍵詞：氣流床氣化爐；水冷壁；渣層；熱應力

0　引言

氣流床煤氣化技術因其具備的諸多優點［1］，已成為清潔高效的燃氣與合成氣制備的首選技術，廣泛應用于化工、電力等行業。在運行過程中氣化爐內的條件十分惡劣（高溫、高壓、熔渣沖蝕）；長期的工業實踐證明，與耐火磚襯里相比，水冷壁襯里壽命較長，維護成本低，可確保氣化爐長周期運轉［2］。對于水冷壁氣化爐，在其內壁形成穩定的、具有一定厚度的渣層至關重要，氣化爐內的操作條件對渣層有較大影響，操作不當將導致渣層開裂、甚至脫落，這是渣層中的熱應力超過渣層強度所致；該現象發生后將嚴重影響生產安全，因此，對渣層中的傳熱及應力進行研究十分必要。

氣化爐正常運行時，渣層表面區域的灰渣處于熔融狀態［3］，降溫過程中經歷了液-固相變，這將影響渣層中的應力分布。本文建立氣化爐水冷壁二維傳熱與應力數學模型，對含液相渣層降溫過程中的熱應力變化進行模擬分析。

1　水冷壁結構

水冷壁主要包括列管結構和盤管結構兩種類型，本文僅針對列管式水冷壁進行研究。水冷壁由冷卻管束構成，管間采用翅片連接，水冷管上焊接渣釘；水冷管和翅片上澆鑄耐火材料（氧化鋁+碳化硅）；碳化硅表面附著一定厚度的渣層。水冷管、翅片、渣釘均采用不銹鋼材質。水冷壁各材料及渣層的物性參數取文獻中數據［4-10］。

2　模型假設

水冷壁的直筒段為軸對稱結構，忽略其曲率及軸向傳熱，在直角坐標系中建立水冷壁直筒段的二維局部模型；同時對實際情況進行適當簡化，引入如下假設：

（1）水冷壁材料間僅考慮熱傳導；材料及固態渣層各向同性且僅發生彈性形變；

（2）液態渣層中的應力為零；初始固態渣層在室溫條件下應力為零；

（3）假設降溫過程中渣層總厚度保持不變，且不考慮灰渣液-固相間密度差異；

（4）冷卻水與管壁的對流換熱系數沿管內壁均勻分布；

（5）氣化爐操作壓力的影響忽略不計。

3　模型理論及邊界條件

根據熱力學第一定律及上述假設，直角坐標系中的平面溫度場的微分方程可表示為［11， 12］：

其中，k-導熱系數，W·m-1·K-1；T-瞬態溫度，K；qv-材料內熱源強度，W·m-3；ρ-材料密度，kg·m-3；C-比熱容，J·kg-1·K1；t-時間，s。

平面應力場的微分方程及其邊界條件分別為式（2）和式（3）：

其中，σx， σy， τxy-應力分量，Pa；X， Y-坐標載荷分量；u， v-彈性位移分量，m；Qx， Qy-邊界上面力均布載荷分量，Pa；l， m-邊界法線方向與x， y軸夾角。

采用有限元法將模型劃分為7536個四邊形單元及7749個節點（見圖1），并將連續的溫度場及位移場離散到各單元節點上進行求解。

圖1　水冷壁模型及邊界條件示意圖

為模型施加邊界條件和初始條件，以得到方程的唯一解。采用熱電偶測得的渣層表面溫度作為渣層傳熱邊界條件。水冷管內的冷卻工質為除鹽水，管內流型為紊流，強制對流傳熱，冷卻水溫度為60℃。水冷壁外表面的傳熱方式主要為自然對流和輻射聯合傳熱，室溫為25℃。在模型對稱邊界施加X軸方向的位移約束，并假設降溫前模型中傳熱已達平衡；對該條件進行穩態計算，并將計算結果作為初始條件。

采用間接法對問題進行分析，運用ANSYS的單元“生死”技術對熱應力進行計算。應用等效應力對渣層熱應力進行描述，見式（4）［13］；采用第一主應力（σ1）和第三主應力（σ3）判斷渣層中的應力狀態。

其中，σ1、σ2、σ3-分別為第一、第二、第三主應力。

4　模擬結果與分析

4.1渣層熱應力分布

正常操作情況下，水冷壁附著渣層表面區域為液態渣層，處于動態平衡狀態。該層中熔渣在冷卻降溫階段經歷了液-固相變過程，如圖2所示。降溫開始時（t=0s）渣層表面溫度為1296℃，高于灰渣流動溫度（FT=1150℃），約30%的灰渣處于熔融狀態，在模型假設中定義液態渣層中等效應力為零；隨溫度降低，初始液態渣層中的熔渣逐漸凝固，固態渣層厚度增加，新生固態渣層中產生熱應力，且熱應力逐漸增大；t=110s時，渣層表面溫度降至1150℃，熔渣已完全凝固。

圖2　 熔渣相變過程渣層應力場

由于渣釘的影響，渣層中溫度沿X軸方向逐漸升高；同時溫度由碳化硅-渣接觸面到渣層表面（Y軸方向）逐漸升高。初始固態渣層中，等效應力沿X軸及Y軸方向均表現為逐漸增大，而新生成的固態渣層中的等效應力分布沿X軸及Y軸方向則呈現減小的趨勢；而初始固-液接觸面處等效應力呈不連續分布。

4.2渣層熱應力變化

為對降溫過程中的溫度場及應力場進行研究，故選取點A、B作為研究對象（見圖1），分別對各點的溫度及應力變化情況進行模擬分析，模擬結果如圖3～圖4所示。

圖3　點A溫度及等效應力曲線

圖4　點B溫度及等效應力曲線

點A位于碳化硅-渣接觸面，此處溫度較低，灰渣在降溫過程中始終為固態。隨著該點溫度由616℃降至181℃，等效應力由39MPa逐漸減小至12MPa。

點B位于初始固-液接觸面。降溫過程中，初始固態渣層中的等效應力由64MPa逐漸降至24MPa；而熔渣于降溫開始時凝固，其等效應力由0MPa迅速上升至3MPa，此后隨溫度降低等效應力逐漸升高。

4.3渣層應力狀態

降溫過程中沿渣層厚度方向（路徑A-C上）的σ1及σ3分布如圖5所示。由圖可見，初始固態渣層中σ1≈0，而σ3＜0，且沿路徑A-C逐漸減小；相同位置，故其中應力主要表現為壓應力。熔渣凝固后，新形成的渣層中σ1＞0，其值沿路徑A-C逐漸增大，而σ3=0；相同位置，故其中應力表現為拉應力。

圖5　路徑A-C上σ1及σ3分布

5　結論

本文通過建立水冷壁及渣層的二維傳熱與應力數學模型，運用ANSYS軟件的單元“生死”技術對含液相渣層于降溫過程中的熱應力進行了模擬計算。結論如下：（1）液態渣層中等效應力為零；熔渣凝固后，新形成的固態渣層中產生熱應力，且高溫區域等效應力較小；初始固-液接觸面處等效應力呈不連續分布。（2）降溫過程中，初始固態渣層中的等效應力隨溫度的降低而減小；新生固態渣層中等效應力隨溫度下降逐漸增大。（3）降溫過程中，初始固態渣層中應力表現為壓應力，而凝固渣層中應力表現為拉應力。

參考文獻：

［1］龔欣，郭曉鐳，代正華，于遵宏等.新型氣流床粉煤加壓氣化技術［J］，現代化工，2005，25（03）：51-54.

［2］Higman C，Burgt MV. Gasification.Boston： Elsevier/Gulf Professional Publishing Publications， 2003.

［3］Heikkinen，R.Slagging behavior of peat ash. Fuel and Energy Abstracts， 1996， 37 （6）： 450-451.

［4］周俊虎，楊衛娟，劉建忠，周志軍，曹欣玉，岑可法.鍋爐變負荷引起的水冷壁渣層熱應力［J］.化工學報，2003，54（12）：1678-1682.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.052

作者簡介：林偉寧（1981-），男，河北唐山人，博士。